Stabilisierungsvorrichtung und Verfahren zur Fahrstabilisierung eines Fahrzeugs durch Anwendung einer Spektralanalyse
Die Erfindung betrifft eine Stabilisierungsvorrichtung zur Fahrstabilisierung eines Fahrzeugs, mit Erfassungsmitteln zum Erfassen von einen Fahrzustand des Fahrzeugs charakterisie¬ renden Messwerten, und mit Auswertemitteln zur Anwendung ei¬ ner Spektralanalyse auf die Messwerte und ein entsprechendes Verfahren.
Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 18 525 Al bekannt. Aus dem Dokument geht hervor, dass eine Gierrate anhand von Daten, die den Fahrzustand des Fahr¬ zeugs repräsentieren, und anhand einer Transferfunktion, im Speziellen einer Fourier-Berechnung, ermittelt wird. Ferner beschreibt das Dokument die Ermittlung einer Schwerpunkthöhe eines Fahrzeugs durch Verwendung einer Transferfunktion eines Rollwinkels in einen Steuerwinkel des Fahrzeugs. In dem Doku¬ ment ist auch das Problem erläutert, dass ein Fahrzeug, ins¬ besondere ein Lastkraftwagen, ein Bus oder dergleichen, ein unterschiedliches Fahrverhalten in Abhängigkeit vom jeweili¬ gen Beladungszustand aufweist. Sowohl die Masse als auch üb¬ licherweise die Schwerpunkthöhe des Fahrzeugs verändern sich
in Abhängigkeit von der Beladung. Eine Fahrstabilisierungs- einrichtung des Fahrzeugs ist jedoch beispielsweise auf einen mittleren Fahrzustand des Fahrzeugs adaptiert.
Aus der deutschen Patentschrift DE 39 12 144 C2 gehen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Achslastbestimmung eines Fahrzeugs hervor. Dabei wird das Frequenzverhalten des Fahr¬ zeugs beim Fahrvorgang anhand der Schwingungen des Fahrzeug¬ aufbaus gegenüber einer Achse ermittelt. Zusätzlich wird ein Verfahren vorgeschlagen, die Achslast statisch zu ermitteln. Es ist ein Sensor erforderlich, der die Lage des Fahrzeugauf¬ baus im Verhältnis zur Achse des Fahrzeugs ermittelt. Es ist lediglich möglich, die Masse des Fahrzeugs zu ermitteln. Eine Ermittlung der Schwerpunkthöhe ist nicht möglich.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zuver¬ lässige Vorrichtungen und Verfahren anzugeben, mit denen ein Maß ermittelt werden kann, das den Beladungszustand des Fahr¬ zeugs charakterisiert, insbesondere ein Maß, das sowohl die Masse der Ladung als auch deren Schwerpunkthöhe berücksich¬ tigt.
Diese Aufgabe wird durch eine Stabilisierungsvorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der vorgesehen ist dass die Messwerte mit einer vom Beladungszustand des Fahr¬ zeugs abhängigen Wankbewegung des Fahrzeugs korrelieren, und dass die Auswertemittel zur Ausgabe und/oder Auswertung eines den Beladungszustand des Fahrzeugs charakterisierenden cha¬ rakteristischen Maßes anhand der Spektralanalyse ausgestaltet sind. Ferner sind ein erfindungsgemäßes Verfahren sowie ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Stabilisierungsvorrich¬ tung zur Lösung der Aufgabe vorgesehen.
Ein Grundgedanke der Erfindung ist, eine Wankbewegung des Fahrzeugs um eine Wankachse, die beispielsweise durch Kurven¬ fahrt verursacht ist, durch eine Spektralanalyse zu analysie¬ ren, beispielsweise durch eine Fourieranalyse, eine Fast- Fourier-Transformation oder dergleichen. Auf diese Weise wird ein charakteristisches Spektrum ermittelt, anhand dessen die erfindungsgemäße Stabilisierungsvorrichtung das charakteris¬ tische Maß ermittelt, das den Beladungszustand des Fahrzeugs charakterisiert. Bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um einen Lastkraftwagen oder Lieferwa¬ gen, jedenfalls um ein Fahrzeug, das eine vergleichsweise große Zuladung im Vergleich zu seinem Leergewicht ermöglicht.
In dem charakteristischen Spektrum sind einer oder mehrere beladungsabhängige Eigenfrequenzwertkennwerte des Fahrzeugs enthalten, die die erfindungsgemäße Stabilisierungsvorrich¬ tung analysiert, um das charakteristische Maß zu ermitteln.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Stabilisierungsvorrichtung Auswahlmittel aufweist, mit denen sie Regelungs-Parameter auswählen und/oder skalieren kann und die jeweiligen Parameter, beispielsweise im Rahmen von Parametersätzen, an eine Fahrstabilisierungsregelungsein- richtung des Fahrzeugs übermittelt. Die Fahrstabilisierungs- regelungseinrichtung stabilisiert das Fahrzeug in Abhängig¬ keit von dem jeweiligen Parametersatz. Die Fahrstabilisie- rungsregelungseinrichtung, die vorzugsweise einen Bestandteil der erfindungsgemäßen Stabilisierungsvorrichtung bildet, ent¬ hält beispielsweise ein Antiblockiersystem, eine Antrieb¬ schlupfregelung, einen Fahrzustandsregler oder dergleichen.
Die Messwerte, die die erfindungsgemäße Stabilisierungsvor¬ richtung spektral analysiert, enthalten beispielsweise eine
Wankbewegung des Fahrzeugs direkt charakterisierende Messwer¬ te, beispielsweise Wankwinkel- oder Wankwinkeländerungsmess- werte (Wankraten-Messwerte) und/oder Federwegsmesswerte, und/oder die Wankbewegung indirekt charakterisierende Mess¬ werte, beispielsweise Drehzahlmesswerte, Querbeschleunigungs- messwerte und/oder Raddrehzahl-Messwerte und/oder Fahrge¬ schwindigkeitsmesswerte oder dergleichen, aus denen Wankwin¬ kel-Werte ermittelbar sind, wie später im Rahmen des Ausfüh¬ rungsbeispiels noch beschrieben wird.
Die Dynamik des Wankverhaltens des Fahrzeugs wird zum einen durch das Eigenschwingverhalten des Feder-Massen-Dämpfer- Systems des Fahrzeugsaufbaus bestimmt, zum anderen aber auch durch von außen auf das Fahrzeug einwirkende Größen, bei¬ spielsweise Lenkbewegungen des Fahrers, Unebenheiten der Fahrbahn oder dergleichen. Diese Dynamik des Wankverhaltens drückt sich in einem charakteristischem Spektrum bzw. einem Schwingungsprofil aus, dass die Stabilisierungsvorrichtung analysiert. Dabei werden beispielsweise Teile des Spektrums, die der Beladung zugeordnet sind, analysiert, während andere Anteile des Spektrums, die beispielsweise durch Lenkbewegun¬ gen des Fahrers verursacht sind, sozusagen ausgeblendet wer¬ den. Die Erfindung macht sich dabei die typische Eigenschaft eines Fahrzeugs zu Nutze, dass sich Fahrwerkselemente, bei¬ spielsweise Federung, Dämpfung und dergleichen, des Fahrzeugs über die Lebensdauer nicht ändern, wohingegen die Beladung des Fahrzeugs sich auf das Frequenzverhalten auswirkt. Eine verhältnismäßig große Beladung, d.h. eine große Masse und/oder ein hoher Schwerpunkt, führt typischerweise zu klei¬ nen Amplituden bei kleinen Frequenzen, während eine kleine Zuladung mit niedrigem Schwerpunkt relativ hohe Amplituden bei hohen Frequenzen hervorruft. Entsprechend dieser Erkennt-
nis bilden die Auswertemittel ein charakteristisches Maß, das den Beladungszustand des Fahrzeugs repräsentiert.
Die erfindungsgemäße Stabilisierungsvorrichtung ist vorzugs¬ weise dazu ausgestaltet, Schwingungsanregungen des Fahrzeugs, die von außen auf das Fahrzeug wirken und nicht durch die Be¬ ladung verursacht sind, sozusagen auszublenden. Solche von außen aufgeprägte Anregungen sind beispielsweise schnelle Lenkbewegungen des Fahrers. Lenkbewegungen eines Fahrers lie¬ gen jedoch üblicherweise in einem Bereich von etwa 0 bis 0,5 Hertz, so dass die Beladung des Fahrzeugs Amplituden bei Fre¬ quenzen oberhalb dieser Grenzfrequenz betrifft.
Allerdings ist es möglich, dass beispielsweise dynamische Lenkanregungen des Fahrers zu Frequenzen im charakteristi¬ schen Spektrum führen, die oberhalb dieser Grenzfrequenz von etwa 0,5 Hz liegen. Um diese Frequenzen "auszublenden", kön¬ nen die Auswertemittel zweckmäßigerweise verschiedene Maßnah¬ men durchführen. Eine erste Möglichkeit besteht beispielswei¬ se darin, einen Lenkwinkel oder eine Lenkwinkeländerung einer Spektralanalyse zu unterziehen, die beispielsweise zur Grund¬ lage einer Fourier-Transformation zu machen. Ferner kann als weitere Möglichkeit ein Lenkwinkelgradient, d.h. eine Lenk¬ winkeländerung analysiert werden. Es versteht sich, dass auch weitere Bedingungen bei der Spektralanalyse des charakteris¬ tischen Maßes berücksichtigt werden können, beispielsweise eine minimale/maximale Gierrate, ein Lenkwinkelminimum oder -maximum, ein Gierratenänderungsminimum oder -maximum oder dergleichen.
Zweckmäßigerweise wird die Spektralanalyse auf eine Messwert- reihe angewandt. Wenn eine vorbestimmte Anzahl von Messwerten durch neue Messwerte ersetzt worden ist, wird die Spektral-
analyse wiederholt. Die vorbestimmte Anzahl kann eine, zwei oder mehrere oder vorteilhaft auch alle Messwerte einer je¬ weiligen Messwertreihe umfassen.
Die Fahrstabilisierungsregelungseinrichtung, die zweckmäßi¬ gerweise einen Bestandteil der erfindungsgemäßen Stabilisie¬ rungsvorrichtung bildet, kann z.B. eines oder mehrere der folgenden Systeme umfassen:
- ein Antiblockiersystem
- eine Antriebsschlupfregelung
- einen Fahrzustandsregler
- einen Kippverhinderungsregler
- einen Querbeschleunigungsbegrenzer
- ein elektrisches oder elektrohydraulisches Bremssystem (Sensotronic Brake Control = SBC)
- eine aktive Federung (Active Body Control = ABC)
- eine aktive Wankstabilisierung (Active Roll Control = ARC)
- ein elektrisches Lenksystem (Steer-by-Wire = SBW) .
Die erfindungsgemäße Stabilisierungsvorrichtung kann in Hard¬ ware und/oder Software realisiert sein.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig.1 ein schematisch dargestelltes erfindungsgemäßes Fahr¬ zeug mit einer erfindungsgemäßen Stabilisierungsvor¬ richtung zur Fahrstabilisierung,
Fig.2 das Fahrzeug gemäß Fig. 1 in einer hinteren Ansicht bei einer Kurvenfahrt, wobei der Aufbau des Fahrzeugs wankt,
Fig.3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Fahrstabilisierungsvorrichtung,
Fig.4 ein charakteristisches Spektrum des Fahrzeugs gemäß
Figur 1, das durch eine oder mehrere Wankbewegungen des Fahrzeugs hervorgerufen ist, und Fig.5 ein Lenk-Spektrum des Fahrzeugs gemäß Figur 1, das mit dem charakteristischen Spektrum gemäß Figur 4 korreliert.
Das in den Figuren dargestellte erfindungsgemäße Fahrzeug 10 ist beispielsweise ein Lastkraftwagen oder Lieferwagen, wobei prinzipiell auch ein Personenkraftwagen, insbesondere ein Van oder SUV (Sports Utility Vehicle) , ein Anhänger oder Satte¬ lauflieger als erfindungsgemäßes Fahrzeug ausgestaltet sein können.
Das Fahrzeug 10 hat eine Vorderachse 11 mit lenkbaren Rädern 12, 13 sowie eine Hinterachse 14 mit nicht lenkbaren Rädern 15, 16, die auch eine Zwillingsbereifung aufweisen könnten. An den Rädern 12, 13, 15, 16 sind Bremsen 17, 18, 19, 20 zum Abbremsen des jeweiligen Rades sowie Drehzahlsensoren 21 bis 24 zum Erfassen der jeweiligen Raddrehzahl des Rades 11, 12, 15, 16 angeordnet.
Die Bremsen 15 bis 20 sind, was durch Pfeile schematisch dar¬ gestellt ist, durch eine Stabilisierungsvorrichtung 25 mit¬ tels Bremseingriffssignalen 26 bis 29 ansteuerbar.
Die Drehzahlsensoren 21 bis 24 senden Drehzahlmesswerte 30 bis 33 in Form entsprechender Drehzahlsignale, die die Dreh¬ zahl des jeweiligen Rades 12, 13, 14, 15, 16 repräsentieren, an die Stabilisierungsvorrichtung 25.
Ferner kann die Stabilisierungsvorrichtung 25 mittels eines Motorsteuersignals 34 eine Motorsteuerung 35 ansteuern, bei-
spielsweise zur Drosselung der Motorleistung eines Motors 35, der beim Fahrzeug 10 beispielsweise die Vorderachse 11 und/oder die Hinterachse 14 antreibt.
An einem Lenkrad 37 oder einer sonstigen Lenkhandhabe kann ein Fahrer 38 Lenkbefehle vorgeben. Beispielsweise erfasst eine Lenkerfassungseinrichtung 39 den jeweiligen Lenkwinkel δH und gibt diesen an einen Lenkaktor 40, beispielsweise ei¬ ne Servo-Lenkhilfe, zum Lenken der Räder 12, 13 weiter. Fer¬ ner übermittelt die Lenkerfassungseinrichtung 39 ein Lenkwin¬ kelsignal 41 mit dem Lenkwinkel δH an die Stabilisierungs¬ vorrichtung 25.
Die Stabilisierungsvorrichtung 25 stabilisiert das Fahrzeug 10 durch Bremseingriffe und/oder den Motor 35 steuernde Ein¬ griffe und/oder Lenkeingriffe, z.B. wenn das Fahrzeug 10 um¬ zukippen, zu schleudern oder in sonstiger Weise fahr-instabil zu werden droht.
Die Stabilisierungsvorrichtung 25 arbeitet vorzugsweise mit zur Fahrstabilisierung des Fahrzeugs 10 ohnehin erforderli¬ chen Sensorsignalen, die beispielsweise die Drehzahlsensoren 21 bis 24 in Form der Drehzahlwerte der Räder 12, 13, 15, 16 liefern.
Ferner wertet die Stabilisierungsvorrichtung 25 beispielswei¬ se ein Gierratensignal 42 mit einer Gierrate ψ eines Gier¬ sensors 43, ein Querbeschleunigungssignal 44 mit einem Quer- beschleunigungswerten ay eines zur Fahrzeuglängsachse 55 quer eingebauten Querbeschleunigungssensors 45 sowie optional ein Fahrgeschwindigkeitssignal 46 mit der Fahrgeschwindigkeit v des Fahrzeugs 10 aus, das eine Fahrgeschwindigkeitseinrich¬ tung 47 ermittelt. Das Fahrgeschwindigkeitssignal 46 wird von
der Fahrgeschwindigkeitseinrichtung 47 z.B. anhand der Dreh¬ zahlwerte der Räder 12, 13, 15, 16 ermittelt.
Weiterhin wertet die Stabilisierungsvorrichtung 25 ein Wank¬ ratensignal 53 eines Wanksensors 54 aus. Der Wanksensor 54 ist beispielsweise ein Gierratensensor, der in einer solchen Einbaulage in das Fahrzeug 10 eingebaut ist, dass er eine Drehbewegung um eine Fahrzeuglängsachse 55 ermitteln kann.
Bei einer Kurvenfahrt, die in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, neigt sich ein Aufbau 56 mit einer gefederten Masse m des Fahrzeugs 10 beispielsweise in Richtung einer Kurvenau¬ ßenseite 57 einer ebenen oder geneigten Fahrbahn 86. Wenn das Fahrzeug 10 dann zu schnell ist, das heißt die Querbeschleu¬ nigung beispielsweise ein vorbestimmtes Maß überschreitet, droht das Fahrzeug 10 nach außen umzukippen und/oder zu Schleudern. Diesem Problem begegnet die Fahrstabilisierungs- vorrichtung 25 durch verschiedene Maßnahmen, beispielsweise durch Bremseingriffe an den Rädern 12, 13, 15, 16, durch Drosselung der Motorleistung des Motors 35, durch Änderung der Dämpfungs- bzw. Stabilisierungseigenschaften eines Fahr¬ werks des Fahrzeugs 10, durch Lenkeingriffe oder dergleichen. Zunächst wird jedoch der prinzipielle Aufbau der Stabilisie¬ rungsvorrichtung 25, der schematisch in den Fig. 1 und 3 dar¬ gestellt ist, erläutert.
Die Stabilisierungsvorrichtung 25 ist vorliegend als ein Mo¬ dul realisiert, das sowohl Hardware auch als Software ent¬ hält. Beispielsweise sind Ein-/Ausgabemittel 48, 49 vorhan¬ den, die die vorgenannten Signale der Sensoren 21 bis 24, 43, 45, 47, 54 erfassen können und entsprechende Steuersignale, beispielsweise das Motorsteuersignal 34 sowie die Bremsein¬ griffssignale 26 bis 29 und ein Lenksignal 50 zur Ansteuerung
des Lenkaktors 40, erzeugen können. Die Ein-/Ausgabemittel 48, 49 enthalten beispielsweise einen oder mehrere Buscont¬ roller und/oder digitale und/oder analoge Eingabemittel und/oder Ausgabemittel. Die Stabilisierungsvorrichtung 25 enthält ferner einen Prozessor oder mehrere Prozessoren 51, die Programmcode von Programmmodulen ausführen, die in einem Speicher 52 abgelegt sind. Diese Programmmodule enthalten beispielsweise ein Wankwinkelmodul 58 sowie ein Fahrstabili- sierungs-Regelungs-Modul 59 als Fahrstabilisierungsregelungs- einrichtung. Der Speicher 52 enthält flüchtigen und/oder nicht flüchtigen Speicher, beispielsweise zum Speichern der Module 58, 59.
Das Fahrstabilisierungs-Regelungs-Modul 59, das z.B. ein ESP bildet oder enthält (ESP = Elektronisches Stabilisierungspro¬ gramm) , umfasst beispielsweise ein Antiblockiersystem 60 und/oder eine Antriebsschlupfreglung 61 und/oder einen Fahr- zustandsregler 62 und/oder einen Kippverhinderungsregler 63 und/oder Querbeschleunigungsbegrenzer 64.
Das Wankwinkelmodul 58, das an sich bereits eine erfindungs¬ gemäße Stabilisierungsvorrichtung bilden kann, enthält bei¬ spielsweise die folgenden Bestandteile, die z.B. als Pro¬ grammfunktionen oder -module realisiert sind: Erfassungsmit¬ tel 65, Auswertemittel 66, Interpretationsmittel 68, Auswahl¬ mittel 69 und Überwachungsmittel 74.
Die Erfassungsmittel 65, erfassen die Messwerte, beispiels¬ weise das Wankratensignal 53 und Drehzahlwerte der Räder 12, 13, 15, 16.
Die Auswertemittel 66 bilden anhand der von den Erfassungs¬ mitteln 65 ermittelten Messwerte ein charakteristisches Maß
67, das einen Beladungszustand des Fahrzeugs 10 charakteri¬ siert. Dazu werten die Auswertemittel 66 beispielsweise das Wankratensignal 53 aus. Man kann die Auswertemittel 66 und/oder die Erfassungsmittel 65, die zu einem einzigen Modul zusammengefasst sein können, auch als Erkennungslogik be¬ zeichnen.
Die Interpretationsmittel 68 interpretieren das charakteris¬ tische Maß 67 und überprüfen es beispielsweise auf Plausibi- lität. Solange noch kein plausibles, gesichertes charakteris¬ tisches Maß 67 vorhanden ist, übermitteln die Interpretati¬ onsmittel 68 beispielsweise ein charakteristisches Start-Maß, das einen mittleren Beladungszustand des Fahrzeugs 10 reprä¬ sentiert, an die Auswahlmittel 69. Die Interpretationsmittel 68 können auch so lange, bis ein "gesichertes" charakteristi¬ sches Maß 67 vorliegt, beispielsweise einen Start- Parametersatz 73 auswählen oder die Auswahlmittel 69 zu des¬ sen Auswahl anweisen. Der Start-Parametersatz 73 entspricht zweckmäßigerweise einem mittleren Beladungszustand des Fahr¬ zeugs 10.
Die Auswahlmittel 69 wählen in Abhängigkeit von dem charakte¬ ristischen Maß 67 einen Parametersatz aus und/oder oder ska¬ lieren einen Parametersatz, beispielsweise einen der Parame¬ tersätze 70, 71, 72. Der Parametersatz 70 repräsentiert bei¬ spielsweise einen Beladungszustand mit geringer Beladung und/oder niedriger Schwerpunkthöhe des Fahrzeugs 10, der Pa¬ rametersatz 71 eine mittlere Beladung des Fahrzeugs 10 und der Parametersatz 72 eine große Beladung des Fahrzeugs 10. Es versteht sich, dass auch mehr Parametersätze als die Parame¬ tersätze 70 - 72 vorgesehen sein können. Ferner ist es mög¬ lich, dass die Auswahlmittel 69 einen oder mehrere Parameter der Parametersätze 70 - 72 in Abhängigkeit von dem charakte-
ristischen Maß 67 skalieren. Die Auswahlmittel 69 senden den jeweils ausgewählten Parametersatz 70, 71, 72 an das Rege¬ lungsmodul 59, das das Fahrzeug 10 anhand des jeweils ausge¬ wählten Parametersatzes stabilisiert.
Die zweckmäßigerweise vorhandenen Überwachungsmittel 74 über¬ wachen die Auswertemittel 66, die Auswahlmittel 69 und die Interpretationsmittel 68 und stellt beispielsweise sicher, dass beim Start des WankwinkelmoduIs 58 zunächst der Start- Parametersatz 73 verwendet wird. Weitere Überwachungsfunktio- nen sollen hier nicht dargestellt werden, sind aber ohne wei¬ teres möglich.
Es versteht sich, dass die vorgenannten Mittel 65, 66, 68, 69 auch als integrale Mittel ausgestaltet sein können, bei¬ spielsweise in ein und demselben Programmcode realisiert sein können.
Die Auswertemittel 26 ermitteln das charakteristische Maß 67 anhand einer Spektralanalyse von Messwerten, die mit einer vom Beladungszustand des Fahrzeugs 10 abhängigen Wankbewegung des Fahrzeugs 10 korrelieren. Bei einer Kurvenfahrt wankt das Fahrzeug 10 beispielsweise zur Kurvenaußenseite hin. Die Wankbewegung kann einerseits durch eine Neigung bzw. Uneben¬ heit der Fahrbahn 75 verursacht sein, was durch einen Fahr¬ bahnquerneigungswinkel CC
pn dargestellt ist. Der Fahrzeugquer¬ neigungswinkel cc
ßg setzt sich aus dem Fahrbahnquerneigungs¬ winkel O
j1n und dem Fahrzeugwankwinkel φ
fig zusammen
m
In verhältnismäßig größerem Maße wird die Wankbewegung jedoch durch einen Lenkvorgang des Fahrzeugs 10 hervorgerufen. Die
Wankbewegung wird durch die Stabilisierungsvorrichtung 25, insbesondere das Wankelwinkelmodul 58 anhand einer Spektral¬ analyse analysiert, die nachfolgend näher erläutert wird.
Das Wankwinkelmodul 58 analysiert beispielsweise das Wankra¬ tensignal 53, das der Wanksensor 54 liefert. In dem Wankra¬ tensignal 53 sind Wankwinkel oder Wankraten, d.h. Wankwinkel- änderungen, des Aufbaus 56 im Verhältnis zum Chassis, bei¬ spielsweise im Verhältnis zur Hinterachse 14 enthalten.
Eine andere Variante, die nachfolgend dargestellt wird, benö¬ tigt keinen zusätzlichen Wanksensor um eine Drehbewegung, d.h. eine Wankbewegung, des Aufbaus 56 um die Fahrzeug- Lenkachse 55 zu ermitteln.
Das nachfolgend vorgestellte Verfahren verwendet Drehzahl¬ messwerte, Querbeschleunigungsmesswerte sowie Gierratenmess- werte, die beispielsweise von den Sensoren 21 bis 24, 42 und 45 erzeugt werden, die ohnehin für den Fahrzustandsregler 62 erforderlich sind. Es wird also kein direkt gemessener Wank¬ winkel erfasst, sondern ein Ersatz-Wankwinkel oder virtueller Wankwinkel ermittelt, bei dem die Querbeschleunigung, die Gierrate und die Fahrzeuggeschwindigkeit des Fahrzeugs 10 ausgewertet werden. Zur Ermittlung der Fahrzeuggeschwindig¬ keit können die Drehzahlen der Räder einer oder mehrerer Ach¬ sen des Fahrzeugs 10 ausgewertet werden, beim Ausführungsbei- spiel die Drehzahlen der Räder 15, 16 der Hinterachse 14. Da¬ zu wertet das Wankwinkelmodul 58 beispielsweise die Drehzahl- messwerte 32, 33 mit den Drehzahlen ω
R,ω
L des rechten und des linken Hinterrades 15, 16 und die Reifenhalbmesser r der Rä¬ der 15, 16 gemäß folgender Formel aus:
Eine auf den Horizont bezogene Querbeschleunigung ay des
Fahrzeugs 10 ermittelt das Wankwinkelmodul 58 beispielsweise anhand der durch den Giersensor 43 gemessenen Gierrate ψmas und der Formel (1) :
In Figur 2 ist ein verhältnismäßig großer Wankwinkel einge¬ zeichnet. Für kleine Wankwinkel φ kann aus dem Vergleich von aufbaufest gemessener Querbeschleunigung aymeis und der hori- zontierten Querbeschleunigung ay gemäß (2) unter Beug auf die Erdbeschleunigung g ein Wankwinkel φ wie folgt bestimmt werden:
Das Wankwinkelmodul 58 errechnet nun anhand der Beziehungen (2) und (3) den Wankwinkel φ in Abhängigkeit von den Messwer¬ ten ayιmtu. ψnai , ωL, ωR:
_r . . . y,mess *\ \ linkstmes3 rechts, meas J τ meas φ = ^-
£ (4)
Der Wankwinkel φ ist ein Maß für die Winkeldifferenz zwischen dem Aufbau 56 des Fahrzeugs 10 und dem Horizont.
Zu diskreten, äquidistant Zeitpunkten /, wird der jeweilige
Wankwinkel φ nun von dem Wankwinkelmodul 58. In einem Erfas- sungs-Datenfenster erfasst das Wankwinkelmodul 58 n Daten¬ punkte und ermittelt diskrete Fourierkoeffizienten c, des Wankwinkels φ z.B. gemäß der folgenden Formel:
Die Fourierkoeffizienten C1 sind beispielsweise komplexe Zah¬ len, deren absoluter Betrag |e,| als Amplitude einer Frequenz / interpretiert werden kann.
Auf diese Weise ermittelt das Wankwinkelmodul 58 beispiels¬ weise ein in Figur 4 schematisch dargestelltes charakteristi¬ sches Spektrum 76, das beispielsweise einer hohen Beladung bzw. einem hohen Schwerpunkt des Fahrzeugs 10 entspricht. Wenn das Fahrzeug 10 geringer beladen ist bzw. ein niedrige¬ rer Schwerpunkt vorhanden ist, stellt sich beispielsweise das Spektrum 77 ein, das ebenfalls von dem Wankwinkelmodul 58 er¬ mittelt wird. Die in Figur 4 dargestellten Spektren sind le¬ diglich beispielhaft und schematisch zu verstehen.
Wenn das Spektrum, d.h. die Koeffizienten c, bzw. deren Be¬ trag beispielsweise einen festen oder frequenzabhängigen Grenzwert SWC überschreiten, wird die jeweilige Frequenz er¬ mittelt, bei der der Grenzwert SWC überschritten wird. Bei¬ spielsweise überschreitet das Spektrum 76 bei einer Frequenz Ig den Amplituden-Grenzwert SWC.
Das Spektrum 76 überschreitet den Amplituden-Grenzwert SWC bei einer niedrigeren Frequenz Ig als das Spektrum 77. Dem-
entsprechend leitet das Wankwinkelmodul 58 daraus ab, dass das Produkt aus Schwerpunkthöhe hB und gefederter Masse m des Aufbaus 56 beim Fahrzeug 10 klein ist, d.h. dass das Fahrzeug 10 verhältnismäßig gering beladen ist und die Schwerpunktshö¬ he niedrig ist. Das Spektrum 77 überschreitet die Grenzfre¬ quenz SWC bei einer höheren Frequenz Ig2, so dass das Wank¬ winkelmodul 58 daraus ableitet, dass eine größere Beladung des Fahrzeugs 10 vorliegt. Das Wankwinkelmodul 58 wählt bei¬ spielsweise bei dem Spektrum 76 den Parametersatz 70, der ei¬ nem niedrigen Beladungszustand des Fahrzeug 10 entspricht, und beim charakteristischen Spektrum 77 den Parametersatz 71 aus, der einem höheren Beladungszustand des Fahrzeugs 10 ent¬ spricht.
Ein lediglich beispielhaft eingezeichnetes Spektrum 78 er¬ reicht den Amplituden-Grenzwert SWC nicht und wird dement¬ sprechend vom Wankwinkelmodul 58 nicht ausgewertet.
Das charakteristische Spektrum 76 weist Maxima bei Frequenzen 11, 12 und 13 auf, die als Eigenfrequenzwertkennwerte des Fahrzeugs 10 interpretierbar sind. Da die Maxima bei den Fre¬ quenzen 11 und 13 den Amplituden-Grenzwert SWC nicht errei¬ chen bzw. überschreiten, würde es an sich genügen, dass das Wankwinkelmodul 58 das Spektrum 76 lediglich mit dem Amplitu¬ den-Grenzwert SWC vergleicht, um den Eigenfrequenzwertkenn¬ wert bei der Frequenz 12 als das charakteristische Maß 67 für die Auswahl oder Skalierung eines Parametersatzes 70 bis 72 zu ermitteln.
Um durch äußere Einflüsse, beispielsweise Lenkung, Fahrbahn¬ unebenheiten, Seitenwind oder dergleichen verursachte Ein¬ flüsse auf das charakteristische Spektrum sozusagen auszu-
blenden, führt das Wankwinkelmodul 58 die nachfolgenden Ma߬ nahmen durch:
Die Frequenz 11 ist beispielsweise eine Frequenz, die Lenkbe¬ wegungen am Lenkrad 37 zugeordnet sind. Maxima bei Frequenzen im Bereich der Frequenz 11 sind jedoch nicht durch die Masse bzw. Schwerpunkthöhe des Fahrzeugs 10 verursacht, sondern durch den Fahrer 38 bzw. dessen Lenkbewegungen. Um derartige Maxima "auszublenden", betrachtet das Stabilisierungsmodul 58 beispielsweise nur Frequenzen oberhalb einer unteren Grenz- Frequenz 1min, um charakteristische Eigenfrequenzen, die auf die Beladung zurückzuführen sind, zu ermitteln.
Andererseits ist es möglich, dass externe Anregungen, bei¬ spielsweise hochfrequente Fahrbahnstöße oder dergleichen, Ma¬ xima bei hohen Frequenzen erzeugen, beispielsweise bei der Frequenz 13. Um diese Einflüsse auszublenden, betrachtet das Wankwinkelmodul 58 Frequenzen unterhalb einer oberen Grenz- Frequenz lmax. Insgesamt analysiert das Wankwinkelmodul 58 demnach zweckmäßigerweise das Spektrum 58 innerhalb eines Frequenzbandes 1 zwischen den Grenz-Frequenzen 1min und lmax. Das jeweilige Spektrum 76, 77 wird also in einem interessie¬ renden Frequenzband 1 zwischen der unteren und der oberen Grenzfrequenz 1min, lmax überprüft, z.B. mit 1min = 0,5 Hz und lmax = 2 Hz.
Ferner ist es möglich, dass beispielsweise durch eine ent¬ sprechende Lenkbewegung, eine äußere Anregung oder derglei¬ chen weitere Maxima innerhalb des Frequenzbandes 1 den Ampli¬ tuden-Grenzwert SWC überschreiten. Um Fehlparametrierungen zu vermeiden, wertet das Wankwinkelmodul 58 daher weitere Bedin¬ gungen aus, beispielsweise das den Lenkwinkel δ repräsentie¬ renden Lenkwinkelsignal 41.
Beispielsweise wertet das Wankwinkelmodul 58 das jeweilige charakteristische Spektrum nur dann aus, wenn der Gradient des jeweiligen Lenkwinkels δ einen vorbestimmten Grenzwert nicht überschreitet. Beim Ausführungsbeispiel führt das Wank¬ winkelmodul 58 jedoch eine Spektralanalyse des Lenkwinkels δ, z.B. des Lenkwinkelsignals 41, durch.
Das erfindungsgemäße Verfahren läuft z.B. folgendermaßen ab:
Zunächst werden Messwerte im Rahmen einer Datensammlung er- fasst, beispielsweise Messwerte für Querbeschleunigungen, Drehzahlen, Gierrate und Lenkwinkel, die zur Ermittlung von Werten im Rahmen der Formeln (1) bis (5) benötigt werden.
Diese Messwerte werden zyklisch zu den Zeitpunkten tt z.B. mit einer Samplingzeit At=I1+1-U1 erfasst. Die erfassten Mess¬ werte werden in einem Speicherbereich 79 der Länge N abge¬ legt. Nachdem der Speicherbereich 79 aufgefüllt ist, führt das Wankwinkelmodul 58 eine Spektralanalyse der gesammelten Messwerte durch, wobei es Messwerte des Zeitfensters
I' =[t'
+1~N,t'] analysiert. Nach der Analyse löscht das Wankwin¬ kelmodul 58 den Speicherbereich 79 der Länge N komplett und füllt ihn mit nachfolgenden N Messdaten auf. Wenn Messwerte eines nachfolgenden Zeitfensters l'
*N
gesammelt sind, führt das Wankwinkelmodul 58 eine neue Spektralanalyse durch. Die Spektralanalyse wird nicht mit der Samplingzeit Δ/ in jedem Zeitschrittt
t durchgeführt, sondern mit der Sampling¬ zeit NΔ/ , also in jedem Nten Zeitschritt.
In einem nächsten Arbeitsschritt überprüft das Wankwinkelmo¬ dul 58 das jeweils ermittelte charakteristische Spektrum, beispielsweise das Spektrum 76, auf äußere Anregungen, die
beispielsweise durch Fahrbahnunebenheiten oder Lenkwinkelän¬ derungen zurückzuführen sind. Neben der bereits erläuterten Lenkwinkelgradientenanalyse, Gierratenanalyse oder Gier- ratenänderungsanalyse, bei denen beispielsweise gewisse maxi¬ male Änderungen zugelassen sind, wenn das jeweilige charakte¬ ristische Spektrum als gültig erkannt werden soll, ist auch eine Spektralanalyse eines oder mehrerer Signale möglich. Das Wankwinkelmodul 58 könnte beispielsweise eine Spektralanalyse eines Gierratensignals, beispielsweise des Gierratensignals 42 durchführen. Beim Ausführungsbeispiel führt das Wankwin¬ kelmodul 58 jedoch eine Spektralanalyse des Lenkwinkelsignals 41 durch.
Das Wankwinkelmodul 58 führt eine spektrale Zerlegung des LenkwinkelSignals 41 mit dem Lenkwinkel δ im jeweils aktuel¬ len Zeitfenster /' =[tM~N,t']
N-I tf-Z*:.«"2""". /=o,...,N-i
-° (6)
mit Fourierkoeffizienten \cf \ durch. Die Anzahl der betrach¬ teten diskreten Frequenzen 1 ist von der Anzahl der verwende¬ ten Messdaten Ν abhängig. Um die Anzahl der Frequenzen zu verkleinern, fasst das Wankwinkelmodul 58 die Frequenzen und die dazugehörigen Amplituden \cf\ zweckmäßigerweise in
Clustern zusammen, was jedoch aus Gründen der Vereinfachung nicht näher erläutert ist.
Die Spektralanalyse des Lenkwinkelsignals 41 ergibt bei¬ spielsweise das in Figur 5 dargestellte Lenk-Spektrum 78. Das Wankwinkelmodul 58 analysiert das Lenk-Spektrum 79 in demsel¬ ben Frequenzband 1, in dem es auch die Spektren 76, 77 analy-
siert, d.h. in einem Frequenzbereich, in dem sich Lenk¬ winkelanregungen, die durch ein Fahrer des Fahrzeugs 10 ver¬ ursacht sind, nicht oder nicht wesentlich auswirken. Ferner überprüft das Wankwinkelmodul 58 das Spektrum 76 anhand eines vorliegend frequenzabhängigen Lenkwinkelgrenzwertes SWL. Wenn die Amplituden des Spektrums 79 wie bei in Figur 5 darge¬ stellten Beispiel unterhalb des Lenkwinkelgrenzwertes SWL bleiben, d.h. beispielsweise die Amplituden der Maxima bei 14 und 15, erkennt das Wankwinkelmodul 58 das jeweilige charak¬ teristische Spektrum 76 bzw. 77 als gültig. Das Maximum bei 14 ist beispielsweise durch eine Lenkbewegung verursacht.
Es versteht sich, dass auch die gemäß der Gleichung (5) er¬ mittelten Fourierkoeffizienten zweckmäßigerweise durch Cluster-Bildung im interessierenden Frequenzband 1 minimiert werden können.
Beim Ausführungsbeispiel wird das jeweilige Spektrum mit ei¬ nem festen oder frequenzabhängigen Grenzwert verglichen, der mit der aktuellen Beladung hsm (Produkt aus Schwerpunktshöhe und Beladungsmasse) des Fahrzeugs 10 korreliert. Es versteht sich, dass auch ein Vergleich mit gespeicherten Spektren mög¬ lich ist. Ein solches gespeicherte Spektrum kann beispiels¬ weise einem in einem Versuch ermittelten Beladungszustand entsprechen, wobei für unterschiedliche Beladungszustände un¬ terschiedliche Spektren ermittelt und in dem Speicher 52 ge¬ speichert werden können.
Das charakteristische Maß 67 korreliert mit der aktuellen Be¬ ladung A1TM des Fahrzeugs 10. Es wird ein einfacher Maximum- Operator auf das jeweilige charakteristische Spektrum 76, 77
angewendet. Es versteht sich, dass auch andere, aufwendiger aufgebaute Operatoren möglich sind.
Wenn die Beladungsπiasse m bekannt ist, kann das Wankwinkel¬ modul 58 die Schwerpunktshöhe A, beispielsweise schätzen.
Das Wankwinkelmodul 58 wiederholt die SpektralZerlegung vor¬ zugsweise für mehrere Zeitfenster und ermittelt so eine Wer¬ te-Reihe für das charakteristische Maß 67. Anhand statisti¬ scher Verfahren und/oder anhand von Mittelwertbildung konso¬ lidiert das Wankwinkelmodul 58 die jeweiligen Werte für das charakteristische Maß, um so einen zuverlässigen Wert für das charakteristische Maß 67 zu ermitteln. Es versteht sich, dass auch weitere Methoden zur Konsolidierung des charakteristi¬ schen Maßes möglich sind, beispielsweise die Methode der li¬ nearen Regression oder dergleichen.
Das Wankwinkelmodul 58 bzw. die Auswertemittel 66 geben das charakteristische Maß 67 bei Vorliegen einer, zweckmäßiger¬ weise aller nachfolgenden Bedingungen frei, um den jeweiligen Parametersatz 70 bis 72 auszuwählen bzw. zu skalieren:
- wenn eine vorbestimmte Anzahl von Spektralanalysen durchge¬ führt ist bzw. ein vorbestimmte Anzahl von Zeitfenstern durchlaufen ist,
- wenn das charakteristische Maß bzw. die Eigenfrequenzen in¬ nerhalb definierter Schranken, beispielsweise oberhalb ei¬ nes unteren und/oder unterhalb eines oberen Grenzwertes liegen,
- die Varianz der Eigenfrequenzen bzw. von Werten des charak¬ teristischen Maßes 67 einen vorbestimmten Grenzwert nicht überschreitet.
Nach einer vorbestimmten Haltephase, beispielsweise nach Ab¬ stellen des Motors 36, nach einer vorbestimmten Phase, bei der die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit des Fahrzeugs 10 null ist oder dergleichen, beginnt das Wankwinkelmodul 58 das cha¬ rakteristische Maß 67 wieder neu zu bestimmen, weil es nach einer derartigen Stillstandsphase zu einem neuen Beladungszu¬ stand des Fahrzeugs 10 gekommen sein kann, beispielsweise durch Abladen oder Zuladen von Ladung.
Es versteht sich, dass weitere Varianten der Erfindung ohne weiteres möglich sind:
Beispielsweise kann das Wankwinkelmodul 58 anhand von Querbe- schleunigungsmesswerten eine Wankbewegung des Aufbaus 56 er¬ mitteln und einer Spektralanalyse unterziehen. Eine Möglich¬ keit besteht z.B. darin, zwei Querbeschleunigungssensoren zu¬ einander beabstandet am Aufbau 56 zu befestigen, so dass die¬ se ein mit der Wankrate bzw. Drehrate um die Längsachse des Fahrzeugs 10 korrelierendes Signal erzeugen.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, dass die Gleichungen (3) und (4) auf die Erdbeschleunigung bezogen sind.
Das Wankwinkelmodul 58 und das Regelungsmodul 59 können ein einziges Modul sein. Es ist auch möglich, dass das Wankwin¬ kelmodul eines oder mehrere Teilmodule des Regelungsmoduls 59 enthält, beispielsweise den Fahrzustandsregler und die An¬ triebsschlupfregelung.